Auto-difuzie. Legea lui Fick. Coeficient de difuzie. Ecuația de difuzie
Să presupunem că o țeavă orizontală închisă este împărțită în două părți printr-o partiție. Pe o parte a compartimentului există un gaz 1, iar pe de altă parte - gazul 2. Lăsați presiunile și temperaturile ambelor geese să fie aceleași. Dacă scoateți septul, gazele se amestecă. Motivul pentru aceasta este mișcarea termică haotică a moleculelor. După un timp, concentrațiile componentelor amestecului devin aceleași pe ambele părți ale septului. O astfel de penetrare a moleculelor unui gaz în mediul moleculelor unui alt gaz se numește difuzie de gaze reciprocă sau de concentrare. Pentru a observa difuzia, conducta poate fi aranjată vertical, numai în acest caz gazul mai greu ar trebui să fie situat deasupra partiției și un gaz mai greu de dedesubt.
Dacă gazele de pe ambele părți ale partiției sunt identice, va apărea și difuzia. În acest caz, se numește auto-difuzie. Nu se poate observa auto-difuzia macroscopică, deoarece din cauza identității moleculelor nu poate apărea în nici un fenomen macroscopic. Pentru a observa auto-difuzia, cumva "marchează" unele dintre moleculele de gaze. În practică, acest lucru se poate face dacă se ia un amestec de două izotopi în locul unui gaz omogen, dintre care unul este radioactiv. De asemenea, este posibil să se ia un amestec de două gaze diferite, de exemplu, CO și N2, ale căror molecule sunt aceleași în masă și practic au aceleași dimensiuni. Să presupunem că concentrațiile moleculelor etichetate n1 și n2 neetichetate se modifică în direcția axei tubului. Să luăm această axă ca axa x Dacă concentrația totală a particulelor n = n1 (x) + n2 (x) și temperatura gazului rămân constante, atunci va exista o presiune constantă în întregul gaz. Prin urmare, mișcarea macroscopică în gaz nu poate apărea, iar amestecarea poate fi posibilă numai datorită difuziei singure. Moleculele gazului 1 și moleculele de gaz 2 se vor diferenția în direcții opuse - de la locații cu concentrație mai mare la locuri cu concentrație mai mică. Pentru descrierea cantitativă a fenomenului, introducem conceptul de flux de difuzie. Un flux de difuzie F este numărul de molecule de tipul considerat, care trece prin difuzie printr-o zonă unitară perpendiculară pe gradientul concentrației, pe unitate de timp. Problema teoriei difuziei se reduce la calculul fluxurilor de difuzie.
Pentru a calcula fluxurile T1 și T2 ale ambelor gaze pentru auto-difuzie, putem folosi Eq.
G = -1 / 3 nmvl du / dx = -1 / 3 nvl dg / dx
Rolul cantității transferate g în acest caz este jucat de concentrațiile relative de gaze c1 = n1 / n și c2 = n2 / n. Înlocuindu-le, găsim pentru fluxul de difuzie al primului gaz formula
G1 = -1/3 n
În mod similar pentru gaz 2
Astfel, Γ1 = - D n dc1 / dx Г2 = - D n dc2 / dx, unde D = 1/3
Deoarece concentrația totală n = n1 + n2 rămâne constantă, formulele pot fi, de asemenea, scrise în formular
G1 = -D dn1 / dx2 = -Ddn2 / dx
dar dacă n variază în spațiu sub influența unei anumite cauze (de exemplu, un câmp de forță sau un gradient de temperatură), atunci aceste formule devin inadecvate și ar trebui folosite formule generale.
Rezultă din constanța concentrației totale dn1 / dx + dn2 / dx = 0 și prin urmare G1 = - Г2
Fluxul de difuzie este proporțional cu gradientul de concentrație. Aceasta este legea lui Fick. Cantitatea D se numește coeficientul de difuzie. Pentru auto-difuzie, D = 1/3
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: